感知微系统内嵌式智能轴承关键技术与应用展望

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2025.20240200

摘要/Abstract

摘要：

高性能滚动轴承作为重大装备的核心基础部件，其智能化需求在风电、工程机械和轨道交通等领域日益迫切.首先，分析了智能轴承的技术特点，总结了国内外相关研究进展与发展动态.然后，重点讨论了感知微系统内嵌式智能轴承的系统组成、工作原理与关键技术，包括功能结构一体化设计、感知机理与数字化传感技术、精密制造与装配工艺，以及性能检测与试验考核.最后，对智能轴承技术的未来发展趋势和推广应用前景进行了评述与展望，为相关领域技术创新与产业化提供了理论支撑和实践指导.

关键词: 智能轴承, 感知微系统, 功能结构一体化设计, 传感器原位制造, 状态监测, 故障诊断

Abstract:

High-performance rolling bearings， as essential components of major equipment， are increasingly in demand for intelligent capabilities in fields such as wind power， engineering machinery， and rail transportation. Firstly，the technical characteristics of smart bearings are analyzed， and the related research progress and development trends at home and abroad are summarized. Then， the system composition， working principle and key technologies of the smart bearing embedded perception microsystem are mainly discussed， including integrated functional-structural design， sensing mechanisms and digital sensing technology， precision manufacturing and assembly processes， as well as performance testing and experimental evaluation. Finally， the future development trends and application potential of smart bearing technology are expounded and predicted， providing theoretical and practical guidance for technological innovation and industrialization in related fields.

Key words: smart bearing, perception microsystem, integrated design of functions and structures, sensor in-situ fabrication, status monitoring, fault diagnosis

中图分类号:

TH 133.33

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图/表 15

图1 智能轴承系统[9]

Fig.1 Smart bearing system[9]

表1 代表性智能轴承研究机构及其典型技术与产品

Table 1 Representative smart bearing research institutions and their typical technologies and products

序号	机构名称	典型技术	典型产品	应用领域
1	瑞典斯凯孚公司(SKF)	复合传感器集成、自主数据分析和诊断、远程监控云端	“Insight Metro”智能轴承^[20]	风电、轨道交通、汽车、机床等
2	德国舍弗勒公司(FAG)	多功能传感器集成、自感知状态监测、远程监控云端	“FAG-Variosense”系列智能轴承^[21]	轨道交通、汽车、机床、风电等
3	美国铁姆肯公司(TIMKEN)	联合负荷分析、超高速应用分析等	“TRBS”智能轴承监测系统	风电、航空航天、医疗等
4	日本恩梯恩公司(NTN)	三轴负荷传感器、旋转传感器、挤压切削花键	“Smart Sensor Bearing”智能轴承^[22]	轨道交通、汽车、机床等
5	日本精工株式会社(NSK)	传感器集成、剩余寿命预测技术及实时报警	“Ensk”智能轴承^[23]	汽车、机床、泵和压缩机等

图2 国外代表性智能轴承结构（a）—SKF公司的“Insight Metro”智能轴承［20］；（b）—FAG公司的“FAG-Variosense”智能轴承［21］；（c）—NTN公司的“Smart Sensor Bearing”智能轴承［22］.

Fig.2 Representative smart bearing structures abroad

图3 NTN公司的机床主轴用内嵌传感器轴承单元

Fig.3 NTN’s sensor-embedded bearing unit for the machine tool spindle

图4 舍弗勒智能润滑系统

Fig.4 Schaeffer intelligent lubricating system

图5 感知微系统内嵌式智能轴承的系统组成

Fig.5 System composition of smart bearing embedded perception microsystem

图6 感知微系统内嵌式智能轴承多物理量传感测量原理

Fig.6 Multi-physical quantity sensing measurement principle of smart bearing embedded perception microsystem

图7 感知微系统内嵌式智能轴承的状态监测与智能运维原理

Fig.7 Principle of condition monitoring and intelligent operation and maintenance of smart bearing embedded perception microsystem

图8 轴承外圈监测应变脉冲测试原理（a）—外圈应变片布置示意图；（b）—应力脉冲测试原理图.

Fig.8 Principle of strain pulse testing for monitoring the bearing’s outer rings

图9 故障滚子轴承的应力脉冲信号（a）—正常接触状态；（b）—非接触状态.

Fig.9 Stress pulse signal of the faulty roller bearing

图10 基于系统工程的智能轴承功能结构一体化设计方法框图

Fig.10 Diagram of the integrated design method of smart bearing functions and structures based on system engineering

图11 基于先驱体陶瓷制备的薄膜传感器注：PVDF为聚偏氟乙烯；PZT为锆太酸铅.（a）—金属基薄膜温度传感器样片；（b）—温度传感测试曲线；（c）—金属基薄膜应变传感器样片；（d）—应变传感电阻测试曲线；（e）—金属基压电薄膜加速度传感器样片；（f）—加速度传感测试曲线.

Fig.11 Thin-film sensors based on precursor ceramic fabrication

图12 采集系统总体设计图

Fig.12 Overall design of the acquisition system

图13 PCB与集成电路实物图（a）—正面；（b）—反面.

Fig.13 Physical diagram of PCB and integrated circuit

图14 偏载作用下轴承套圈嵌入槽应变信号与加速度有效值（a）—应变；（b）—加速度有效值.

Fig.14 Strain signal and RMS of acceleration of the bearing’s ring embedded groove under partial load

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